[发明专利]一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法

说明书

本发明提供了一种在钛合金表面制备高膜‑基结合力复合涂层的方法，属于表面强化技术领域。复合涂层由内至外依次包括钛合金基体、纳米化离子渗氮层、PVD硬质膜层。表面纳米化是通过高能喷丸使钛合金表面出现大量均匀的纳米级晶粒或者亚结构，离子渗氮是氩气离子轰击+低温稀土催渗渗氮+循环变温工艺+氮碳共渗。渗氮层的硬度介于基体和PVD涂层之间，能给PVD膜层提供有力的支撑并降低硬度梯度，显著提高基‑膜结合力。PVD硬质膜层为多硬质相膜层，包括AlCrN、CrBN及AlCrBN模层。PVD涂层可对渗氮层微空隙进行有效的填充。因此，相比于离子渗氮或PVD涂层，本发明在钛合金表面制备的高膜‑基结合力复合涂层具备高的膜‑基结合力、耐磨性及耐腐蚀性。

技术领域

本发明属于金属表面涂层技术领域，具体涉及在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法。

背景技术

钛合金作为轻质金属结构材料，具有比强度高、生物安全性好、耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于生物科技、航天航空等领域。但钛合金硬度低，耐磨性差，在使用中易产生“钛火”故障，这些严重影响了钛合金的使用安全性。针对这些问题，渗氮技术被用于增强钛合金表面性能，但常规渗氮温度超过750℃，且渗氮时间达十多个小时。高温导致钛合金基体晶粒粗化、基体力学性能退化，且能耗高，变形大。此外，渗氮层结合力低，组织不均匀。后来有研究者将钛合金渗氮跟PVD硬质膜技术相结合力，虽然承载力、耐磨性和耐腐蚀性能均有显著提高，但膜-基结合力低的问题仍然突出，且高温渗氮问题依然严重。因此，渗氮-PVD复合技术在钛合金表面强化作用有限，使用寿命偏低。

表面纳米化+渗氮技术被广泛用于钢铁表面强化，在钛合金表面也有所研究。表面纳米化，获得高密度变形缺陷，例如位错、亚晶界和晶界，这些变形缺陷为渗氮过程中活性氮原子扩散提供快速扩散通道，从而降低渗氮温度。表面纳米化+离子渗氮复合技术处理的钛合金，其表面性能依然取决于渗氮温度。常规渗氮温度下，渗氮层薄，耐磨性能作用有限；渗氮温度高于750℃时，钛合金表面变形层发生再结晶，晶粒粗化，纳米化作用失效。因此，表面纳米化+渗氮技术在钛合金表面强化方面还有待深入研究。

发明内容

针对渗氮-PVD复合技术和表面纳米化-渗氮复合技术不足之处，即渗氮温度高、硬化层结合力差、耐磨性不够理想等，本发明提出表面纳米化技术，获得高密度的变形缺陷，提高活性氮原子的扩散能力。渗氮前采用氩气离子轰击，去除钛合金表面反应层，为氮原子的扩散扫清障碍。同时，渗氮过程中采用稀土催渗、循环变温低温离子渗氮工艺、氮碳共渗方法进一步提高渗氮效率，降低渗氮温度，改善渗层组织。然后，利用PVD涂层技术，在钛合金表面沉积一定厚度的PVD涂层。其中，渗氮层改善复合涂层界面应力分布和硬度分布，避免应力在涂层与基体界面处应力集中，提高涂层与基体的膜基结合力。同时，渗氮层中的氮化物，作为PVD涂层物相的异质形核质点，进一步提高膜-基结合力。此外，渗氮层给表面PVD涂层提供强有力支撑作用，提高PVD涂层承载能力。而且，PVD涂层本身硬度高、摩擦系数低、耐磨性优异。因此，本发明涉及复合涂层技术，渗氮温度低、效率高，渗层组织均匀且复合涂层兼具渗氮层与PVD涂层两种涂层特性，最终使其具有高的膜-基结合力，优异的力学、摩擦磨损和耐腐蚀性能，为钛合金工业应用提供良好技术支持。

本发明提供的一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法，包括以下步骤；

（1）将钛合金表面进行机械加工处理，并进行表面超声波清洗；

（2）对所述钛合金进行高能喷丸处理（可以称为表面纳米化处理），使得所述钛合金表面晶粒或亚晶粒细化，其尺寸为纳米级；

（3）将所述钛合金进行超声波清洗，并进行机械抛光处理；

（4）在离子渗氮炉中，将所述钛合金作为阴极，把铈块（固态纯稀土）放置在所述钛合金的正下方，在所述铈块周围均匀地放置若干金属圆棒，所述金属圆棒距离所述铈块的间隔为20~50mm；然后抽真空，开启电压及脉冲按钮，进行离子渗氮；